CN103239222A - 心电信号采集装置与采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种心电信号采集装置,包括:心电导联,用于导入所检测的心电信号;前置集成模块,用于对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理;主控模块,用于控制所述前置集成模块,并根据所述前置集成模块的处理信号对所述心电信号进行数字滤波、特征点识别;所述前置集成模块为专用集成电路ASIC。本发明还提供一种相应的心电信号采集方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种心电信号的采集装置与采集方法,具体地,本发明涉及一种采用了ASIC专用集成电路的心电信号的采集装置与采集方法。
背景技术
心电图是人体最重要的生物电信息之一。心电信号是一种周期性的电生理信号,经人体组织传到体表,在体表产生电位差。临床上,可以用各种仪器和设备将体表产生的电位差测量出来并描绘成曲线,以形成心电图。体表的心电信号测量方法通常是采用贴在体表特定位置的电极获取微弱的心电信号,并通过心电导联线将上述微弱的心电信号送入心电预处理电路进行处理后,经A/D数字化转化为数字信号,并送入MCU,由MCU进行心电图特征点的识别和处理,最后将处理和识别后的心电信号传送给上位机进行显示。
传统的心电图采集***和装置采用了分立的元器件对心电信号进行采集,主要包括了前级保护电路、电刀抑制电路、前端阻抗匹配电路、导联脱落识别电路、主放大电路、起搏检测电路、高通滤波电路、二级放大电路、低通滤波电路、右腿驱动电路、A/D转换电路以及MCU电路组成。由于采用的分立元器件来实现,无可避免的运用了大量的集成电路、电阻和电容等元器件,造成该装置的体积大、功耗高、设计复杂灵活性低等缺点,由于集成电路、电阻和电容元器件个体的差异性,造成了心电图各个导联的参数和指标具有差异性(典型的如共模抑制比、输入阻抗等),电阻和电容差异性过大还容易造成前端滤波电路滤波特性的变化,滤掉了心电图的有用信号,失去了心电图信号的诊断价值。
发明内容
有鉴于此,有必要提供一种具有较高精度及信噪比的心电信号采集装置。
此外,还有必要提供一种相应的心电信号采集方法。
一种心电信号采集装置,包括:
心电导联,用于导入所检测的心电信号;
前置集成模块,用于对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理;
主控模块,用于控制所述前置集成模块,并根据所述前置集成模块的处理信号对所述心电信号进行数字滤波、特征点识别;
其特征在于:所述前置集成模块为专用集成电路ASIC。
所述前置集成模块包括:
阻抗匹配单元,用于将所述心电信号的信源内阻抗与后续电路负载阻抗进行阻抗匹配;
放大单元,用于对经所述阻抗匹配单元匹配的心电信号进行放大。
所述前置集成模块包括起搏检测单元,用于对所述心电信号进行起搏检测处理,并根据所述起搏检测处理向所述主控模块提供起搏检测信号。
所述前置集成模块包括导联脱落检测单元,用于对所述心电信号进行导联脱落检测,并根据所述导联脱落检测处理向所述主控模块提供导联脱落检测信号。
所述数字滤波包括低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60HZ的陷波处理。
一种心电信号采集方法,包括:
初始化前置集成模块及其寄存器;
接收心电信号;
以所述前置集成模块对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理;
根据所述前置集成模块的处理对所述心电信号进行数字滤波、特征点识别;
其特征在于:所述前置集成模块为专用集成电路ASIC。
所述以所述前置集成模块对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理的步骤包括:
将所述心电信号的信源内阻抗与后续电路负载阻抗进行阻抗匹配;
对经所述阻抗匹配单元匹配的心电信号进行放大。
所述以所述前置集成模块对所述心电信号进行放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理的步骤进一步包括:对所述心电信号进行起搏检测处理,并根据所述起搏检测处理生成起搏检测信号。
所述以所述前置集成模块对所述心电信号进行放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理的步骤进一步包括:对所述心电信号进行导联脱落检测,并根据所述导联脱落检测处理生成导联脱落检测信号。
所述数字滤波包括低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60HZ的陷波处理。
本发明的心电信号采集装置和采集方法通过集成化的专用集成电路替代传统元器件的方式,降低了心电信号采集装置的体积,减少了***的功耗,同时亦可以降低***的设计成本。此外,本发明的心电信号采集装置采用数字滤波滤除干扰的方式增加了***设计的可靠性以及灵活性,避免了由于电阻和电容差异造成滤波特性不一致而引起的心电信号的失真。
附图说明
图1是本发明实施例的心电信号采集装置的模块结构图;
图2是图1所示的电刀抑制模块106的一种实施方式的电路图;
图3是图1所示的前置集成模块108的一种实施方式的模块结构图;
图4是本发明实施方式的心电信号采集方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示,本发明一种实施方式的心电信号采集装置10包括心电导联102、保护模块104、电刀抑制模块106、前置集成模块108、主控模块110、接口模块112、以及电源模块114。
心电导联102用于与待检测客体体表相连的电极相连,以将电极由体表所检测的心电信号引入所述心电信号采集装置10以进行后续处理。
保护模块104与心电导联102相连,用于去除心电导联102所引入的心电信号中的高压部分,以免其中的高压信号被引入后续模块中引起后续电路的损坏。一种可能的情况是,对于待检测客体进行除颤时,待检测客体将会引入高压,需要使用保护模块104进行除高压的保护。在可选的实施方式中,所述保护模块104可以是由气体放电管组成的组合电路。
电刀抑制模块106与保护模块104相连,用于过滤所采集的心电信号中的由于电刀等其他手术设备对于心电信号的影响所带来的高频杂波。图2所示的为一种实施方式中电刀抑制模块106的电路示意图。在该实施方式中,电刀抑制模块106包括了两阶RC滤波电路,其中R1和R2的电阻值、C1和C2的电容值系适应于电刀高频信号的波形特性而设置。在其他可选的实施方式中,该电刀抑制模块106亦可以是其他适应于电刀高频波特性的滤波方式。
前置集成模块108与电刀抑制模块106相连,用于对经保护模块104去除高压、电刀抑制模块106滤除高频后的心电信号进行放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理,并将所生成的数字信号提供给主控模块110。该前置集成模块108为专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit),前置集成模块108同时通过专用的接口接受来自主控模块110的指令控制。
如图3所示,一种实施方式的前置集成模块08包括阻抗匹配单元302、右腿驱动单元304、主放大单元306、起搏检测单元308、导联脱落检测单元310、二级放大单元312及模/数转换单元314。
阻抗匹配单元302与电刀抑制模块106相连,用于根据所述心电信号的信源内阻抗与后续电路负载阻抗进行相应的阻抗匹配,使所述心电信号的负载阻抗得以匹配。经阻抗匹配单元302匹配缓冲的心电信号送至右腿驱动单元304与主放大单元306。右腿驱动单元304将所接收的心电信号回送至待检测客体,一般为右腿,从而可以消除由于待检测客体作为干扰信号接收源所带来的工频干扰。主放大单元306用于将阻抗匹配完成的心电信号进行主放大。经过主放大单元306进行了主放大的心电信号分三路分别送至起搏检测单元308、导联脱落检测单元310和二级放大单元312。起搏检测单元308用于对心电信号中的起搏特征进行检测,导联脱落检测单元310用于检测心电导联102是否从待检测客体上脱落。二级放大单元312用于对经过了主放大的心电信号进行二级放大。所述起搏检测单元308、所述导联脱落检测单元310、所述二级放大单元312所处理的心电信号均通过模/数转换单元314转换为数字信号后提供给主控模块110。
主控模块110通过专用的接口与前置集成模块108进行信号交换,用以控制前置集成模块108的工作以及读取由前置集成模块108所处理的信号,包括数字化了的起搏检测信号、导联脱落检测信号、经放大的心电信号等。在可选的实施方式中,该专用接口可以是串行外设接口(SPI,Serial PeripheralInterface)。
主控模块110用于对所读取的起博检测信号、导联脱落检测信号、心电信号分别进行起搏检测处理、导联脱落检测处理以及心电信号的特征点识别,并将所处理完成的数据通过接口模块112发送给上位机进行显示。示例地,所述主控模块110根据导联脱落检测信号确定是否出现导联脱落,并在确定出现了导联脱落时发送导联脱落标志信号,并通过接口模块112送出进行显示。
主控模块110还用于对所述心电信号进行滤波处理。可选地,所述主控模块110对所述心电信号的滤波处理主要包括低通滤波处理、高通滤波处理以及50/60HZ的陷波处理。在可选的实施方式中,所述低通滤波可采用2阶巴特沃斯滤波器进行截止频率为20HZ、40HZ以及150HZ的滤波;所述高通滤波器可采用2阶契比雪夫滤波器进行0.05HZ、0.5HZ以及1HZ的滤波;所述50/60HZ陷波用于更好地消除滤波之后的吉布斯震荡,示例地,可以采用梳状滤波进行所述陷波处理。
示例地,所述主控模块110可以根据起搏检测信号确定是否出现起搏状态,并在确定出现了起搏状态时对于所述心电信号进行相应的去起搏信号处理。示例地,所述主控模块110还通过差分阈值法、小波变换法、神经网络识别法、模板匹配法等对所述心电信号进行QRS波、ST段以及心率失常的识别。
电源模块114用于向所述前置集成模块108、所述主控模块110等提供电源。
该心电信号采集装置10的工作原理为:上电后首先初始化主控模块110及各外设资源,所述主控模块110通过所述专用的接口,如SPI总线,初始化所述前置集成模块108的内部寄存器。在可选的实施方式中,所述内部寄存器包括了心电导联、起搏检测、导联脱落检测等寄存器。初始化完成以后,所述主控模块110等待所述前置集成模块108返回握手数据。而后,所述主控模块110开始定时接收所述前置集成模块108所发送的数据包。示例地,所述数据包可包括心电数据、起搏状态数据以及导联脱落状态数据等。所述主控模块110根据所述数据包的数据判断是否有导联脱落以及起搏状态数据。若确定有导联脱落,所述主控模块110则生成并发送导联脱落标志;若确定有起搏状态,主控模块110则对所接收的心电信号进行去起搏信号处理,并在处理完成以后进行心电信号的滤波以及特征点的识别,最后发送处理完成的数据,并通过接口模块112提供给上位机进行显示。
根据本发明以上实施方式的心电信号采集装置,通过集成化的专用集成电路替代传统元器件的方式,降低了心电信号采集装置的体积,减少了***的功耗,同时亦可以降低***的设计成本。实验表明,根据本发明以上实施方式的心电信号采集装置的模块体积、功耗及成本可以分别减少1/2、2/5和1/3。通过本发明以上实施方式的心电信号采集装置,使得心电信号采集的微型化和便携化成为可能。同时,由于集成化的心电信号采集装置减少了集成电路、电阻和电容的使用,提高了各个导联心电参数指标的一致性。此外,本发明的心电信号采集装置采用数字滤波器滤除干扰,增加了***设计的可靠性以及灵活性,避免了由于电阻和电容差异造成滤波特性不一致而引起的心电信号的失真。
图4所示为本发明一种实施方式的心电信号采集方法的流程,以下结合图1所示的心电信号采集装置对所述心电信号采集方法进行说明,所述心电信号采集方法包括:
步骤402,初始化主控模块110及主控模块110的各外设。
步骤404,主控模块110发送初始化命令至前置集成模块108,以初始化所述前置集成模块108。示例地,初始化所述前置集成模块108的过程包括初始化其内部的阻抗匹配单元302、右腿驱动单元304、主放大单元306、起搏检测单元308、导联脱落检测单元310、二级放大单元312等。
步骤406,等待接收所述前置集成模块108的握手数据。
步骤408,根据前置集成模块108所返回的握手数据判断所述前置集成模块是否正常启动。若未正常启动,则所述主控模块110重新配置初始数据并向所述前置集成模块108发送初始数据,以初始化所述前置集成模块108。
步骤410,心电导联102接收待检测客体的心电信号。
步骤412,所述保护模块104对所述心电信号进行保护处理、所述电刀抑制模块106对所述心电信号进行电刀抑制处理。保护处理用于去除所引入的心电信号中的高压部分,以免其中的高压信号被引入后续模块中引起后续电路的损坏。一种可能的情况是,对于待检测客体进行除颤时,待检测客体将会引入高压,需要所述保护处理进行除高压的保护。电刀抑制处理用于过滤所采集的心电信号中的由于电刀等其他手术设备对于心电信号的影响所带来的高频杂波。
步骤414,前置集成模块108对心电信号进行前置处理。示例地,所述前置处理包括阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落检测、模/数转换等。其中,前置集成模块为专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)。
步骤416,主控模块110根据前置集成模块108处理所得的导联脱落检测信号判断心电导联102是否脱落。
步骤418,若主控模块110在步骤416的判断结果确定心电导联102脱落,则发送心电导联脱落状态标志,通过接口模块112提供给上位机进行显示。
步骤420,若主控模块110的判断结果确定心电导联102未脱落,则根据前置集成模块108处理所得的起搏状态信号判断是否存在起搏状态。
步骤422,若主控模块110在步骤416的判断结果确定存在起搏状态,则置位起搏标志,并对进行所述心电信号进行去起搏信号处理。
步骤424,主控模块110对心电信号进行滤波及特征点的识别,并生成特征数据。可选地,所述滤波处理主要包括低通滤波处理、高通滤波处理以及50/60HZ的陷波处理。在可选的实施方式中,所述低通滤波可采用2阶巴特沃斯滤波器进行截止频率为20HZ、40HZ以及150HZ的滤波;所述高通滤波器可采用2阶契比雪夫滤波器进行0.05HZ、0.5HZ以及1HZ的滤波;所述50/60HZ陷波用于更好地消除滤波之后的吉布斯震荡,示例地,可以采用梳状滤波进行所述陷波处理。示例地,所述特征点识别系通过差分阈值法、小波变换法、神经网络识别法、模板匹配法等对所述心电信号进行QRS波、ST段以及心率失常的识别。
步骤426,将所述主控模块110所送出的心电信号、特征点数据进行显示。
根据本发明以上实施方式的心电信号采集方法,通过集成电路替代传统元器件的方式,降低了心电信号采集***的体积,减少了***的功耗,同时亦可以降低***的设计成本。实验表明,根据本发明以上实施方式的心电信号采集装置的模块体积、功耗及成本可以分别减少1/2、2/5和1/3。通过本发明以上实施方式的心电信号采集方法,使得心电信号采集的微型化和便携化成为可能。同时,由于集成化的心电信号采集方法减少了分散化处理的使用,提高了各个导联心电参数指标的一致性。此外,本发明的心电信号采集方法采用数字滤波增加了***的可靠性以及灵活性,避免了由于电阻和电容差异造成滤波特性不一致而引起的心电信号的失真。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种心电信号采集装置,包括:
心电导联,用于导入所检测的心电信号;
前置集成模块,用于对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理;
主控模块,用于控制所述前置集成模块,并根据所述前置集成模块的处理信号对所述心电信号进行数字滤波、特征点识别;
其特征在于:所述前置集成模块为专用集成电路ASIC。
2.如权利要求1所述的心电信号采集装置,其特征在于:所述前置集成模块包括:
阻抗匹配单元,用于将所述心电信号的信源内阻抗与后续电路负载阻抗进行阻抗匹配;
放大单元,用于对经所述阻抗匹配单元匹配的心电信号进行放大。
3.如权利要求2所述的心电信号采集装置,其特征在于:所述前置集成模块包括起搏检测单元,用于对所述心电信号进行起搏检测处理,并根据所述起搏检测处理向所述主控模块提供起搏检测信号。
4.如权利要求2所述的心电信号采集装置,其特征在于:所述前置集成模块包括导联脱落检测单元,用于对所述心电信号进行导联脱落检测,并根据所述导联脱落检测处理向所述主控模块提供导联脱落检测信号。
5.如权利要求1所述的心电信号采集装置,其特征在于:所述数字滤波包括低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60HZ的陷波处理。
6.一种心电信号采集方法,包括:
初始化前置集成模块及其寄存器;
接收心电信号;
以所述前置集成模块对所述心电信号进行放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理;
根据所述前置集成模块的处理对所述心电信号进行数字滤波、特征点识别;
其特征在于:所述前置集成模块为专用集成电路ASIC。
7.如权利要求6所述的心电信号采集方法,其特征在于:所述以所述前置集成模块对所述心电信号进行放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理的步骤包括:
将所述心电信号的信源内阻抗与后续电路负载阻抗进行阻抗匹配;
对经所述阻抗匹配单元匹配的心电信号进行放大。
8.如权利要求7所述的心电信号采集装置,其特征在于:所述以所述前置集成模块对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理的步骤进一步包括:对所述心电信号进行起搏检测处理,并根据所述起搏检测处理生成起搏检测信号。
9.如权利要求7所述的心电信号采集装置,其特征在于:所述以所述前置集成模块对所述心电信号进行阻抗匹配、放大、起搏检测、导联脱落、模/数转换等处理的步骤进一步包括:对所述心电信号进行导联脱落检测,并根据所述导联脱落检测处理生成导联脱落检测信号。
10.如权利要求6所述的心电信号采集方法,其特征在于:所述数字滤波包括低通滤波处理、高通滤波处理及/或50/60HZ的陷波处理。
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